金属磁记忆检测系统的研究与设计

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1、金属磁记忆检测系统的研究与设计第1章绪论1.1课题研究背景管道是当今世界最为广泛运用的装置之一，他由管子、阀门、及与管子相关的连接件等组成的，管道应用的范围十分广泛，例如给水、排水、供热、天然气、长距离输送石油等等。可以说管道对于一个国家来说就像人体的血管一样，是国家的生命线[1]。而输油管道运送的石油等化学品拥有很强的腐蚀性，长期埋设地下，对管道表面也有较强的腐蚀。我国目前拥有管道线长达7万公里，仅输油管道就有将近4万公里。随着石油长时间的连续开采，采出来的原油含水率高达90%，在管道中出现了多种腐蚀介质，再加上在土壤中的复杂环境，使得管道腐

2、蚀速度进一步加快[2]。在我国东部的油田中，每年更换长达400公里的管道是由于管道直接被腐蚀穿孔导致的。胜利油田的一座污水处理站在运行不到三个月便出现管道腐蚀穿孔，一年后，由于腐蚀严重不得不停止运行，进行修整。据报告显示，2000年我国油气管道中由腐蚀造成的经济损失达5000亿元，可见，由管道腐蚀引起的损失是惊人的[3]。事实证明，管道从被腐蚀到穿孔，很难被发现，所以发现管道有穿孔损坏的时候，往往管道已经损坏很长一段时间，并伴随着严重的事故，不仅造成巨大的经济损失，还威胁着周围人的生命安全、污染环境，产生不可挽回的严重后果。因此，对管道安全的实

3、时监测就成为了防止这类严重后果必不可少的手段。而目前常用的超声波检测、漏磁检测等等，几乎都是带有激励源的检测手段，往往不能满足管道在恶劣环境中的检测要求，而本课题研究的磁记忆检测系统，则以地磁场为激励源，大大的减少了使用限制，使得检测变得有效、方便而又简单。对提高管道的监测，保护管道安全运输起到重要的作用。1.2课题研究的目的和意义近几年对大庆油田进行调查研究发现，截止到2001年已经建设的埋地管道总长约为57200km，已经发生腐蚀穿孔的管线总长达5753km，腐蚀率高达10%以上。到2008年底，我国已运行了约20年的现有油气管道在总管道长

4、度中的占比已经达到了六成，越来越严重的管道老龄化问题有待解决。虽然降低管道腐蚀速率可以通过对油气管道进行防腐保护来实现，但随着管道运行总时间越来越长，由腐蚀引起的穿孔现象难以避免的频繁发生。综上所述，通过有效的无损检测手段定期检测管道的不同阶段来了解管道具体的缺陷位置及破损程度是十分具有实际意义的。近年来新兴的磁记忆检测技术是众多无损检测技术中的一种，与传统的无损检测技术相比，它的优越性非常显著。其中常用的几种传统检测方法的概况见表1-1。由表1-1可知，虽然传统的检测技术方法较为成熟，但存在很大的局限性，其无法克服土壤介质、管道埋深等因素的影

5、响直接对埋地管道进行检测。要实现管道外检测需要将埋地管道挖掘出来进行接触性检测或提离高度很小的非接触检测，而管道内检测则必须借助于管道机器人，目前我国的管道机器人技术尚不完善，不但对管道的直径和管道内的油位有要求，而且需将管道部分破损方能将机器人植入。因此，传统检测技术还不适用于埋地管道的地面非接触检测。如今传统检测方法的不足可以通过磁记忆检测技术来弥补，金属磁记忆检测技术是基于金属磁记忆原理对铁磁性工件进行无损检测的新方法，其原理是铁磁性工件受到地球磁场的作用时会引起其自发磁化，而自有漏磁场会出现在工件缺陷位置，因此缺陷的位置能从被检测工件磁

6、场的变化情况来进行判断[4]。..第2章金属磁记忆检测技术原理及检测装置的设计2.1金属磁记忆的形成与检测原理提到金属磁记忆的形成就不得不提到磁致伸缩的概念。磁致伸缩的意思是铁磁金属发生形变后磁场也会随着发生变化，而当铁磁金属处于磁场中时，其形状也会发生改变[11]。我们都知道铁磁金属处在磁场中时会发生磁化现象，这是由于铁磁金属的结构是磁畴结构，在不同的能量联合作用下是形成磁畴的主要原因，而在其中的交换作用是铁磁金属发生磁化的基础，磁化的方向是由其本身的磁晶与受应力的各向异性决定的[12]。铁磁体受外应力作用，导致应力能增加，从而改变铁磁体磁畴

7、的自发磁方向以增加磁弹性以抵消应力能的增加，使得铁磁体发生弹性应变，磁畴壁发生位移，改变其自发磁化方向，最终引起磁弹性效应，产生磁记忆效应[13]。铁磁性金属由于疲劳和蠕变而产生的裂纹会在缺陷处出现应力集中，其表面的磁场分布与零件应力载荷有一定的对应关系，又因为在铁磁性金属应力集中区域易产生损伤或将要发生损伤，因此可通过检测金属表面的磁场分布情况，间接地对金属缺陷和应力集中位置进行检测，这就是金属磁记忆检测的基本原理[14]。如图2-1所示，铁磁性金属缺陷或应力集中区域磁场的切向分量()PHx具有最大值，法向分量()PHy改变符号且具有零值。因

8、此在检测过程中，可以通过检测切向分量与法向分量来完成对金属上是否存在应力集中区域进行判断[15]。..2.2金属磁记忆检测系统的总体设想磁记忆原理检测